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PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS
Conceitos para uma aplicação eficiente
José Carlos Mierzwa
Cubatão, 29 de outubro de 2007
EPUSP CIRRA
Encontro sobre Aplicações Ambientais de Processos Oxidativos Avançados
Introdução
Processo de separação por membranas:
– Podem separar sólidos imiscíveis e solutos que se encontram dissolvidos;
– A membrana atua como uma barreira seletiva:
– Permite a passagem de determinados componentes enquanto impede a passagem de outros.
Principais processos de separação por membranas
Microfiltração (MF);
Ultrafiltração (UF);
Nanofiltração (NF);
Osmose Reversa (OR);
Eletrodiálise e Eletrodiálise Reversa (ED/EDR).
Microscopia Eletrônica Microscopia Ótica Visível a Olho Nú
Íons Moléculas Macro Moléculas Micro Partículas Macro Partículas
Micrometros
Angstrons 10 102 103 104 105 106
10-3 10-2 10-1 1 10 100
Emulsão de Latex
Açucares Emulsão de Óleo
Negro de Fumo Pigmentos de Tintas
Endotoxinas (Pirogênios) Células de Leveduras
Íons Metálicos
Sais
Dissolvidos
Vírus Bactérias
Colóides Areia
Osmose Reversa
Troca Iônica
Ultrafiltração
Microfiltração
Coagulação/Floculação e Filtração
Nota: 1 Angstron = 10-10 metros = 10-4 micrometros
Evaporação
ProcessoForça motriz
Contaminante removido Permeado ou Purificado
Microfiltração Pressão Partículas. Solutos dissolvidos.
Ultrafiltração PressãoMoléculas orgânicas dealto peso molecular.
Moléculas de baixo peso
molecular e saisdissolvidos.
Nanofiltração PressãoMoléculas orgânicas de
baixo peso molecular eíons bivalentes.
Íons monovalentes.
OsmoseReversa
Pressão Todos os solutos. Praticamente água.
EletrodiáliseCorrenteelétrica
Solutos iônicos. Solutos não iônicos.
Processos de separação por membranas em função da força motriz utilizada na separação e tipos de contaminantes removidos
Materiais das membranas
As membranas podem ser orgânica ou inorgânicas;
Membranas poliméricas são mais amplamente utilizadas;
Membranas cerâmicas são restritas aos processos de microfiltração e ultrafiltração.
Fenômenos que afetam o desempenho dos sistemas de membranas
Formação de depósitos;
Polarização de concentrações;
Formação de biofilme.
Este fenômenos estão relacionados:
Pelas características da água ou efluente;
Mecanismos de transferência de massa;
Interação dos contaminantes com a membrana;
Condições de operação do sistema.
Formação de depósitos (“fouling”)
Refere-se à perda irreversível do fluxo de água através da membrana, ou a redução na taxa de transporte de contaminantes;
Está relacionado à interação dos contaminantes com a membrana;
O material das membranas tem grande influência sobre este fenômeno.
Membranas hidrofílicas e hidrofóbicas
Em função do material polimérico utilizado as membranas podem ser:
– Membranas hidrofílicas apresentam afinidade pela água;
– Membranas hidrofóbicas não tem afinidade pela água.
Do ponto de vista de tratamento de água e efluentes aquosos é ideal que a membrana seja hidrofílica.
Gota de água
Membrana Hidrofílica Membrana Hidrofóbica
- Ângulo de contato
Representação do ângulo de contato utilizado para
verificar o caráter das membranas
Depósitos (cont.)
O fenômeno de formação de depósito é complexo e difícil de descrever teoricamente;
A sua ocorrência é resultado do processo de deposição de:
– Partículas;
– Colóides;
– Emulsões;
– Suspensões;
– Macromoléculas;
– Sais;
Tendência de adsorção de proteínas nas membranas (Fonte Cheryan, 1998)
Métodos para reduzir a formação de depósitos
Em função da complexidade do fenômeno de formação não há uma descrição precisa dos métodos indicados para a sua redução;
Cada problema requer uma abordagem e tratamento específicos;
Dentre as opções disponíveis destacam-se:
– Pré-tratamento da corrente de alimentação;
– Seleção adequada da membrana;
– Tipo de módulo e condições de processo;
– Operações periódicas de limpeza.
Polarização de concentração
É uma complicação adicional nos processos de separação por membranas;
Este fenômeno resulta da separação de solutos maiores que o diâmetro dos poros das membranas;
Os compostos que são rejeitados pela membrana tendem a formar uma camada sobre a sua superfície;
Dependendo do tipo de soluto esta camada pode ser bastante viscosa ou se tornar um gel.
Representação do processo de polarização de concentração
Modelo para o transporte de massa em sistemas pressurizados
Modelo de resistências em série:
GDM RRR
PJ
Onde:• J = Fluxo de água através da membrana (m.s-1);
• PT = Pressão transmembrana (Pa);
• RM = Resistência ao fluxo de água pela membrana (Pa.s.m-1);
• RD = Resistência ao fluxo de água devido a depósitos (Pa.s.m-1);
• RG = Resistência ao fluxo de água devido a camada gel (Pa.s.m-1).
Apenas RG é função da pressão, portanto RD
pode ser incorporado na resistência da membrana;
RG pode ser expresso em função de um fator , em função da pressão:
RG = * P.
PR
PJ
M
'
Com a compactação da camada gel, f é influenciado pela pressão, ocorrendo uma perda no fluxo.
Variação do Fluxo de Permeado com a Pressão - MF e UF
Métodos para aumentar o fluxo em sistemasde MF e UF
Reduzir a Polarização
de Concentração
Reduzir a pressão
Reduzir a concentração
na superfície
da membrana
Reduzir os sólidos
na alimentação
Utilizar baixo fator
de concentração
Promover a mistura
perpendicular
Prevenir concentração
sobre a superfície
da membrana
Aumentar a taxa de
retro transporte
Aumentar a
temperatura
Canais estreitos
e curtos
Altos gradientes
de velocidade
Representação da influência do fenômeno de polarização e
depósitos no fluxo através de membranas
Formação de biofilme
É um problema crítico nos processos de separação por membranas;
Refere-se à formação de uma camada viscosa sobre a superfície da membrana, resultante do acúmulo de microrganismos;
É um processo resultante dos mecanismos de adesão e crescimento.
Seção transversal de um biofilme formado sobre uma membrana de UF de polieteruréia (AWWA, 1996)
Seção transversal de um biofilme formado sobre uma membrana de OR de acetato de celulose (AWWA, 1996)
Membrana
Condicionamento da Membrana
Aproximação e fixação
Adesão
Crescimento
Biofilme Estabelecido
Bactéria
Processo de formação do biofilme
Representação do processo de formação de biofilme em uma membrana de OR (AWWA, 1996)
Principais eventos na formação de biofilme
Evento Tempo Descrição
Filme orgânico Seg. ou min. Condicionamento da membrana
Adesão física Seg. ou min. Fixação da bactéria pioneira
Síntese de SPE Min. ou horas Processo de adesão químico e aumento da estabilidade estrutural.
Proliferação Min. Ou horas Multiplicação celular utilizando nutrientes disponíveis.
Aprisionamento de partículas
Seg. ou min. Efeito secundário da ocorrência do biofilme.
Adesão secundária Dias ou sem. Refere-se ao processo de aumento do biofilme .
Desprendimento Dias ou sem. Perda de células e biomassa do biofilme.
Conseqüências para os processos de separação por membranas
Em qualquer situação a ocorrência de biofilme reduz o desempenho do sistema;
Os seus efeitos são mais pronunciados em sistemas de NF e OR;
A razão para isto é a pequena espessura e a fragilidade das membranas;
Nos sistemas de micro e ultrafiltração, pode acentuar a perda de fluxo pelo aprisionamento de partículas.
Membrana
Suporte
= molécula de soluto
Aumento na passagem de soluto devido a polarização
de concentração
Aumento na passagem de soluto devido a degradação
da membrana
Matriz de SPE
Ação hidrodinâmica
Direção do Fluxo
Conclusões:
Os processos de separação por membranas apresentam grande potencial para uso em tratamento de água e efluentes;
Podem ser utilizados em combinação com as tecnologias de oxidação fotoquímica avançadas;
Atualmente já se encontram em desenvolvimento estudos sobre a utilização de membranas associadas à reatores de oxidação fotoquímica;
Para o bom desempenho é necessário entender os fenômenos que influenciam o seu desempenho.
